(57)【要約】  【課題】  ランナブレードの内周側に大きな隙間が形成される可動翼水車でもその隙間を小さくすることが可能な可動翼水車ランナ及び可動翼水車を提供する。  【解決手段】  ランナブレード２１の内周側に、封水部材３２を回転可能に設置して、封水部材３２のランナボス１２側への突出量を可変として、ランナブレード内周側に形成される隙間を小さく維持する。好ましくは、ランナブレード３２の内周側に溝３１を形成し、この溝３１の内部において封水部材３２を回転可能に設置するとともに、封水部材３２をランナボス１２側に押し付けるように、溝３１の内部に弾性部材３５を設置する。【選択図】図２
2013117184.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水車回転軸に沿って設置され、これを中心として回転自由に支持された水車軸と、前記水車軸の先端に設置されたランナボスと、前記ランナボスよりも下流側に設置されたランナコーンと、前記ランナボスの周囲に前記水車回転軸から放射状に伸びるステム中心軸に沿って設置され、前記ステム中心軸を中心として回転可能に支持されたランナブレードとを備え、
前記ランナブレードの内周側に、前記ランナボス側への突出量が可変な封水部材を有することを特徴とする可動翼水車ランナ。
【請求項２】
水車回転軸に沿って設置され、これを中心として回転自由に支持された水車軸と、前記水車軸の先端に設置されたランナボスと、前記ランナボスよりも下流側に設置されたランナコーンと、前記ランナボスの周囲に前記水車回転軸から放射状に伸びるステム中心軸に沿って設置され、前記ステム中心軸を中心として回転可能に支持されたランナブレードとを備え、
前記ランナブレードは、その内周側に形成された溝と、前記溝内に出し入りするように回転可能に支持され、前記ランナブレード内周側と前記ランナボス側との間に形成される隙間を小さくするように前記ランナボス側に押し付け又は引き付けられた封水部材を有することを特徴とする可動翼水車ランナ。
【請求項３】
請求項２において、前記溝内部に設けられた弾性部材を有し、前記弾性部材により前記水封部材を前記ランナボス側に押し付けるようにしたことを特徴とする可動翼水車ランナ。
【請求項４】
水車軸と、前記水車軸の先端に設置されたランナボスと、前記ランナボスの周囲に回転可能に支持されたランナブレードと、前記ランナブレードの周囲を覆うシュラウドとを有する可動翼水車であって、
前記可動翼水車は、運転時に、前記ランナブレードの内周側端部における前記ランナブレード前縁が、前記ランナボスの球面部分の上流側端部よりも上流側に位置し、及び/又は、前記ランナブレードの内周側端部における前記ランナブレードの後縁が、前記ランナボスの球面部分の下流側端部よりも下流側に位置するように構成され、
前記ランナブレードは、その内周側に形成された溝と、前記溝内に出し入りするように回転可能に支持され、前記ランナブレード内周側と前記ランナボス側との間に形成される隙間を小さくするように前記ランナボス側に押し付け又は引き付けられた封水部材を有することを特徴とする可動翼水車。
【請求項５】
水車軸と、前記水車軸の先端に設置されたランナボスと、前記ランナボスの周囲に回転可能に支持されたランナブレードと、前記ランナブレードの周囲を覆うシュラウドとを有し、
前記ランナボスは、その球面部分の上端から下端までの距離が、前記ランナブレードの内周側端部における前記ランナブレードの前縁から後縁までの距離よりも小さく形成されており、
前記ランナブレードは、その内周側に形成された溝と、前記溝内に出し入りするように回転可能に支持され、前記ランナブレード内周側と前記ランナボス側との間に形成される隙間を小さくするように前記ランナボス側に押し付け又は引き付けられた封水部材を有することを特徴とする可動翼水車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は可動翼形の水車ランナ及び可動翼水車に関する。
【背景技術】
【０００２】
可動翼水車は、回転中心軸に沿って設置され、回転中心軸まわりに回転可能な水車軸と、水車軸の先端に設置されたランナボスと、ランナボスよりも下流側に設置されたランナコーンと、ランナボス周囲に回転中心軸から放射状に伸びるステム中心軸に沿って設置され、ステム中心軸まわりに回転可能なランナブレードと、その周囲を覆うシュラウドを有している。
【０００３】
ランナブレードはステム中心軸まわりに回転するため、外周側はシュラウドと、内周側はランナボスとそれぞれ干渉することなく回転できるように隙間が設けられている。
【０００４】
特許文献１では、可動羽根のランナボスとランナ羽根（ランナブレード）との間の隙間をパッキンにより水密に封じ、隙間からの漏れ流れを防止するようにして、キャビテーションを抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭59-115475号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ランナブレードは、その形状や姿勢によっては、内周側はランナボスの他に、水車軸やランナコーンとの干渉にも配慮する必要がある。特に、ランナブレードの姿勢によって、ランナボス、水車軸、ランナコーンのいずれと干渉するかが変わるため、可動範囲内で最も干渉量が多い姿勢を基準に隙間が設けられる。よって、通常利用する姿勢では、内周側に大きな隙間が空いた状態になる。また、近年開発される可動翼水車は運転範囲が広く、ランナブレードの回転量も大きい。このため、より大きな隙間が形成されることになる。
【０００７】
しかし、パッキンのような一定の間隙範囲を適用対象とした封水部材では、大きな隙間を埋めることはできない。
【０００８】
ランナ周囲に隙間があると、隙間からの漏れや端部の急激な形状変形に伴うはく離、逆流が起こり、これによるエネルギーの損失や騒音、キャビテーションの発生などの問題が起こる。
【０００９】
本発明は、ランナブレードの内周側に大きな隙間が形成される可動翼水車でもその隙間を小さくすることが可能な可動翼水車ランナ及び可動翼水車を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明は、ランナブレードの内周側に、ランナボス側への突出量が可変な封水部材を設けたことを特徴とする。
【００１１】
好ましくは、ランナブレードの内周側に、封水部材を回転可能に設置する。
【００１２】
さらに好ましくは、ランナブレードの内周側に溝を形成し、この溝の内部において封水部材を回転可能に設置する。
【００１３】
また、より好ましくは、封水部材をランナボス側に押し付けるように、溝の内部に弾性部材を設置する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ランナブレードの内周側に大きな隙間が形成される可動翼水車でもその隙間を小さくすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例に係る可動翼水車ランナ周辺を流れに垂直な方向から見た側面図。
【図２】本発明の実施例に係る可動翼水車ランナ周辺を流れに沿う方向に見た上面図。
【図３】本発明の実施例の効果を説明する図で、ランナより後流の位置での流速の周方向成分と軸方向成分を示す図。
【図４】本発明の実施例を適用しない場合において運転時に形成される死水域あるいは逆流域を説明する図。
【図５】本発明の実施例におけるランナブレードの付け根側の断面拡大図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【００１７】
図１および図２は本発明が適用される水力プラントのランナ周辺図を示す。ここでは、可動翼水車ランナの一例として縦軸バルブ水車のランナを例として示しているが、これに限定されるものではない。また、ここでは簡単のため、複数あるランナブレード２１のうち、１枚だけを代表して表記している。
【００１８】
本実施例の可動翼水車は、水車回転軸１まわりに回転可能な水車軸１１と、水車軸１１の先端に設置されたランナボス１２と、ランナボス１２よりも下流側に設置されたランナコーン１３と、ランナボス周囲に回転中心軸から放射状に伸びるステム中心軸２まわりに回転可能なランナブレード２１と、その周囲を覆うシュラウド１４を有している。ランナブレード２１の外周側はシュラウド１４と間に隙間が設けられている。
【００１９】
可動翼水車では、ランナブレード２１がステム中心軸２を中心として回転することで、流れに対する姿勢を変化させ、多様な運転点において高い性能を維持できるようにしている。この際、ランナブレード２１の付け根部分（内周側）は回転により隙間の大きさが変化、あるいは他の部品と干渉しないよう、球形のくぼみ状に成形されている。これに対応するように、ランナボス１２のランナブレード２１と干渉する部分は球形となっている。
【００２０】
例えば、水車ランナの外径を変えることなく、可動翼水車に流入する水量を多くするために、ランナボス１２の球形を小さくするような場合には、ランナブレード１２の内周側の先端部分及び/又は後端部分がランナボス１２の球形からはみ出てしまう場合がある。即ち、水車運転時に、ランナブレードの回転位置によっては、ランナブレードのランナボス側端部（内周側）における前縁が、ランナボスの球面部分の上流側端部よりも上流側にあり、あるいは、ランナブレードのランナボス側端部における後縁が、ランナボスの球面部分下流側端部よりも下流側に位置することになる。言い換えれば、ランナブレードの内周側（ランナボス側端部）における前縁から後縁までの距離が、ランナボスの球面部分の上端から下端までの距離よりも大きくなる。
【００２１】
このように、ランナブレードのランナボス側端部における前縁から後縁までの距離が、ランナボスの球面部分の上端から下端までの距離よりも大きい場合、ランナブレード２１の姿勢によっては、ランナブレード２１の内周側の先端部分が水車軸１１と、内周側の後端部分がランナコーン１３と干渉する場合がある。
【００２２】
このような状態を防ぐため、ランナブレード２１の付け根部分には、水車軸１１との干渉を避けるための隙間３３と、ランナコーン１３との干渉を避けるための隙間３４が設けられる。これらの隙間３３、３４はランナブレード２１を最大まで回転させた場合に最小となるように形成される。よってランナブレード２１を最大まで回転させていない場合（一般的には通常利用する姿勢）では、隙間３３、３４は他の球形部分の隙間に比べて大きくなる。
【００２３】
本実施例では、ランナブレード２１の内周側（付け根側）に、ランナボス側への突出量が可変な封水部材として、封水部材３２を回転可能に設置し、これらの隙間を小さくしている。また、本実施例では、ランナブレードの内周側に溝３１を形成し、この溝３１の内部に封水部材を回転可能に支持するようにしている。封水部材３２はランナブレード２１の回転に伴う隙間の変化に対応してランナボス側への突出量が変化するようになっている。
【００２４】
図３及び図４を用いて本発明の実施例の効果を説明する。
【００２５】
図３は、ある運転状態において、従来どおり隙間３３および３４がある場合と、本発明の実施例を適用することにより隙間３３および３４が最小となった場合の、ランナより後流位置（図４において符号４５で示す位置）における流速の周方向成分と軸方向成分を比較したものである。縦軸は相対流速、横軸は規格化した半径位置を示す。符号５１と符号５３はそれぞれ本発明の実施例を適用した場合の軸方向流速成分と周方向流速成分を示し、符号５２と符号５４はそれぞれ本発明の実施例を適用しない場合（従来の形態）における軸方向流速成分と周方向流速成分を示す。
【００２６】
本実施例の軸方向流速成分５１と従来の形態の軸方向流速成分５２の間にはあまり大きな違いが現れていない。即ち、隙間の有無により大きな違いが現れていない。しかし、本実施例の周方向流速成分５３と従来の形態の周方向流速成分５４に注目すると、ランナブレードの付け根側である半径位置の小さい領域において、隙間がある場合の周方向速度成分５４の方が大きくなっている。これは、角運動量を持った流体が、ランナブレード２１の作用により角運動量を失う前に、隙間３３あるいは隙間３４から下流側へ流れたためである。即ち、隙間がある場合、流体の持つ角運動量を水車軸の回転力として効率的に回収することができない。そのため、特に周方向流速の大きい流体が隙間から下流へ流れる。
【００２７】
上述したように、ランナブレード内周側に隙間がある場合、隙間を通過した周方向流速の大きな流体が下流に流れる。他方、ランナコーン先端部は鈍い形状をしていることが一般的であり、ランナコーン先端部より僅かに下流側の部分には十分な流体の供給が行われず、死水域が生じやすい。従って、隙間を通過した周方向流速の大きな流体は、ランナコーンよりも下流側の死水域周囲を流れることになる。
【００２８】
即ち、従来の形態では、ランナブレード内周側の隙間から周方向流速が大きい流体がランナコーンよりも下流側の死水域周囲を流れる。そして、周方向流速が大きい流体に半径方向外向きの遠心力が働くため、流れが外周側に偏り、図４に示すように中央付近に死水域あるいは逆流域４１が増幅されて形成される。また、形成された中央付近における死水域あるいは逆流域４１内部の流体とその周囲の流体とで周方向流速の差が大きくなる。一般に局所的な流速の差が大きいほど不安定な現象がおきやすくなることが知られており、死水域の周囲を周方向流速の大きな流れが流れると、流速差に起因する不安定性が起こる。これにより流れが複雑になり、振動、騒音が起こる可能性が生じる。
【００２９】
本発明の実施例では、ランナブレード内周側（付け根側）における隙間を小さくすることで、図３に示すように、周方向流速の大きい流体が内周側から流下することを抑制することができる。これにより、ランナコーン先端（図４に示す中央付近）における死水域あるいは逆流域４１の形成を抑制することができる。また、死水域あるいは逆流域４１とその周囲の流速差が小さいため、速度差に起因する不安定現象を抑制することができる。この結果として、中央付近に形成される死水域あるいは逆流域４１に起因する損失が低減され、水車効率を向上することができる。
【００３０】
即ち、本実施例によれば、可動翼水車の隙間における漏れに起因する損失を低減すると同時に、ランナコーン先端部から発生する死水域あるいは逆流域を抑制することにより、水車効率を向上し、騒音や振動を低減することができる。
【００３１】
これらの効果は、ランナブレード２１の付け根部分に形成される隙間３３と隙間３４が大きくなりやすい、ランナブレードのランナボス側端部における前縁から後縁までの距離が、ランナボスの球面部分の上端から下端までの距離よりも大きい可動翼水車では特に重要である。
【００３２】
次に、封水部材の取り付けについて図５を用いて詳細に説明する。但し、封水部材の取り付けはこれらに限定されるものではない。
【００３３】
図５は本発明の実施例におけるランナブレードの付け根側の断面拡大図を示す。本実施例では、溝３１の内部に弾性部材３５を設置し、ランナボス１２、水車軸１１およびランナコーン１３とランナブレード２１および封水部材３２によって形成される隙間３３（３４）が最小に維持されるようにしている。弾性部材として本実施例ではねじりコイルバネを用い、封止部材３２の回転中心にねじりコイルバネの案内棒が位置するようにしている。ランナブレード２１の回転に従って隙間３３が小さくなった場合は、符号３６で示すように封水部材は溝の内部に押し込まれる。このように、弾性部材３５を用いることにより、ランナブレード２１の姿勢に関わらず隙間３３が最小となるように封水部材３２が保持される。
【００３４】
ここでは弾性部材として、ねじりコイルバネを用いた例を示しているが、これに限定されるものではない。例えば、封止部材３２の端面と溝３１の側面又は底面との間に圧縮コイルバネを配置し、封止部材３２をランナボス側に押し付けるようにしても良い。
【００３５】
また、上述のバネを用いる場合は、何れも封水部材３２をランナボス１２側に押し付けるものであるが、封水部材３２がランナボス側に引き付けられるようにしても良い。例えば、封水部材を磁石により構成し、ランナブレードの回転に従って変化する隙間に対応してその突出量（回転量）を変化させるようにしても良い。この場合、溝内部に非磁性部材を装着して、封止部材３２の動きを阻害しないようにする。
【００３６】
また、上述の例では、ランナブレードの付け根側（内周側）に溝を形成し、その内部に封水部材を設置しているが、溝を形成することなく、ランナブレードの内周側に封水部材を回転可能に設けるようにしても良い。例えば、ランナブレードの内周側端部翼面に封水部材をピン等により回転可能に取り付けるようにしても良い。この場合、ランナブレードの翼面に封止部材の取り付けにより形成される凸凹ができるだけ小さくなるように段差を設けて封水部材を取り付けるようにする。但し、ランナブレードの翼面形状がそのまま利用でき、また、水流に影響が出ないようにするため、溝を形成してその内部に封水部材を設けることが望ましい。
【符号の説明】
【００３７】
1 … 水車回転軸，2 … ステム中心軸，11 … 水車軸，12 … ランナボス，13 … ランナコーン，14 … シュラウド，21 … ランナブレード，31 … 溝，32 … 封水部材，33 … 隙間，34 … 隙間，35 … 弾性部材。
【図１】
2013117184.tif 000003
【図２】
2013117184.tif 000004
【図３】
2013117184.tif 000005
【図４】
2013117184.tif 000006
【図５】
2013117184.tif 000007